管井降水在軟土區(qū)某糾偏工程中的應(yīng)用

吳連祥，楊永生

（1. 啟東市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 啟東 226200；2. 啟東市開來房地產(chǎn)有限公司，江蘇 啟東 226200）

0 引 言

在軟土地區(qū)，由于軟土具有含水量高、孔隙比大、承載力低的特性，在其地基上進(jìn)行建筑物修建，若設(shè)計(jì)或施工中稍有疏忽，就會(huì)引起較大的沉降及相應(yīng)的不均勻沉降，致使建筑物產(chǎn)生整體傾斜，為減少財(cái)產(chǎn)損失，需要對(duì)傾斜建筑進(jìn)行糾偏處理。

目前國(guó)內(nèi)常用的糾偏方法主要有兩大類：迫降法、頂升法，每一類又包含多種不同的方法，但都是利用地基新的不均勻沉降來調(diào)節(jié)建筑物已存在的不均勻沉降，以達(dá)到新的平衡和矯正建筑物的傾斜[1]。

迫降糾傾是從地基入手，通過改變地基的原始應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)迫建筑物下沉，比頂升法糾傾更經(jīng)濟(jì)、施工更簡(jiǎn)便[2]，應(yīng)優(yōu)先選用。已有學(xué)者在迫降糾偏方法上進(jìn)行了卓有成效的研究與實(shí)踐，其中比較典型的代表有：唐業(yè)清教授發(fā)明的輻射井射水取土糾傾法[3]、劉祖德教授首創(chuàng)的“地基應(yīng)力解除法”糾傾方法[4]、徐向東等研發(fā)的掏土灌水糾傾法[5]、魏煥衛(wèi)等對(duì)120 m傾斜煙囪采用管井降水法成功實(shí)施糾偏[6]。

管井降水形成漏斗型降水曲線，引起周圍地基的不均勻沉降[7]，合理利用漏斗型降水曲線的水位差，對(duì)傾斜建筑進(jìn)行糾偏，可以取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但是工程應(yīng)用還不夠成熟。管井降水是目前應(yīng)用較廣的一種降水方法，具有井距大、井點(diǎn)間相互獨(dú)立，降水設(shè)備和操作工藝簡(jiǎn)單，工程費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，探討采用管井降水糾偏，符合節(jié)約資源、提高經(jīng)濟(jì)效益、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀。本文結(jié)合工程實(shí)例，探討管井降水在建筑糾偏工程中的應(yīng)用，以積累工程經(jīng)驗(yàn)，供今后類似工程參考。

1 工程概況

該工程位于啟東市南陽(yáng)鎮(zhèn)江海北路東側(cè)，通海大道南側(cè)，房屋東西長(zhǎng)50.6 m，南北寬25.1 m，高度23.6 m，總建筑面積7 435 m2，框架結(jié)構(gòu)，1～7層，南部主樓3跨7層，北部附房1跨1層，水泥土攪拌樁（粉噴）復(fù)合地基，柱下交梁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)平面如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)平面圖Fig. 1 Foundation plan

場(chǎng)地為長(zhǎng)江三角洲軟土區(qū)，在勘察深度40 m范圍內(nèi)，土層自地面往下分為8個(gè)單元層，描述如下：

①素填土：黃褐色，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度不均勻，主要成分為粉質(zhì)黏土、粉土。局部含有建筑垃圾，層厚0.80～2.20 m。

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土：上部黃褐色，下部灰色，流塑（局部軟塑），含鐵錳質(zhì)結(jié)核及氧化鐵斑，搖振反應(yīng)無(wú)，切面稍有光澤，干強(qiáng)度中等，中等韌性，屬高壓縮性。層中所夾粉土厚度約占淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的1/4。靜力觸探比貫入阻力ps=0.40～0.70 MPa，層厚2.50～4.00 m。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，流塑，搖振反應(yīng)無(wú)，切面稍有光澤，干強(qiáng)度中等，中等韌性，屬高壓縮性。夾薄層粉土，靜力觸探比貫入阻力ps=0.30～0.60 MPa，層厚3.60～4.20 m。

④砂質(zhì)粉土：灰色，稍密，很濕，搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中壓縮性。夾薄層粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，靜力觸探比貫入阻力ps=2.50～3.00 MPa，層厚4.70～5.30 m。

⑤粉土：灰色，稍密，很濕，搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，屬中壓縮性。層中所夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度約占粉土的1/5。靜力觸探比貫入阻力ps=1.80～2.70 MPa，層厚7.80～8.10 m。

⑥淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，土質(zhì)不均勻，軟-流塑，頻夾砂質(zhì)粉土，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，層位較為穩(wěn)定，靜力觸探比貫入阻力ps=0.80～1.0 MPa，層厚2.80～3.20 m。

⑦黏質(zhì)粉土：灰色，土質(zhì)不均勻，很濕，稍密，稍?shī)A粉質(zhì)黏土，含貝殼屑，搖振反應(yīng)迅速，無(wú)光澤，干強(qiáng)度低，韌性低。層位較為穩(wěn)定，靜力觸探比貫入阻力ps=1.8～2.2 MPa，層厚3.00～3.40 m。

⑧粉質(zhì)黏土：灰色，土質(zhì)不均勻，軟-流塑，頻夾砂質(zhì)粉土，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，靜力觸探比貫入阻力ps=1.2～1.4 MPa，本層未鉆穿，層底深度＞40.0 m。

本工程勘探深度范圍內(nèi)只揭露了孔隙水潛水含水層（Q4），主要賦存于②～⑤層土中。主要補(bǔ)給來源為大氣降水、地表水以及區(qū)域水系，排泄方式以大氣蒸發(fā)及側(cè)向徑流為主，水位變化與季節(jié)氣候有明顯影響，水量較豐富。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，啟東地區(qū)第I層承壓水主要賦存于距地表60 m以下的粉砂和中砂層中。

各土層的部分物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各土層的部分物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Partial physical and mechanical parameters of each soil layer

2 傾斜情況及原因

2.1 傾斜情況

該工程于2019年4月開工，2020年4月主體結(jié)構(gòu)封頂，2020年7月完成內(nèi)外粉刷。建筑物施工至2層，開始進(jìn)行沉降觀測(cè)，其后每加建1層觀測(cè)1次，主體結(jié)構(gòu)封頂后每7天觀測(cè)1次。至2020年7月 23日，主樓平均沉降 119.8 mm，最大沉降152.6 mm，附房平均沉降 63.6 mm，最小沉降52.0 mm，4軸、G軸沉降斷面參見圖2。建筑物整體傾斜3.26‰，沉降速率0.4 mm/d，由于建筑物的整體剛度較好，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。

圖2 沉降斷面圖Fig. 2 Settlement section diagram

2.2 傾斜原因

本工程±0.00相當(dāng)于85國(guó)家高程3.20 m，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架，柱下設(shè)置鋼筋混凝土交梁基礎(chǔ)，水泥土攪拌樁（粉噴）復(fù)合地基[8]，具體方案為：水泥土攪拌樁樁徑500 mm，有效樁長(zhǎng)8.5 m，置換率0.3，采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，噴灰量為 55 kg/m，上部 3 m樁體復(fù)噴 1次，復(fù)噴增量15 kg/m，要求水泥攪拌均勻、充分，加固土體的fcu≥1.6 MPa，單樁豎向承載力特征值Ra≥78 kN，加固后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥130 kPa。

加固方案剖面如圖3所示，基礎(chǔ)底標(biāo)高-2.50 m，相當(dāng)于85國(guó)家高程0.70 m，水泥土攪拌樁底標(biāo)高-11.30 m，相當(dāng)于85國(guó)家高程-8.10 m，樁端進(jìn)入第④層砂質(zhì)粉土層。水泥土攪拌樁加固的土層主要為第②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土和第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，第④層砂質(zhì)粉土層的加固深度1.5 m左右。地基處理結(jié)束后，由質(zhì)監(jiān)部門隨機(jī)抽取9組水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基和8根水泥土攪拌樁單樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，9組單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)p-s曲線均呈緩變形，無(wú)明顯比例界限，無(wú)陡降段，取s/b=0.006所對(duì)應(yīng)的壓力值的一半（s為壓板沉降量，b為壓板寬度）作為試驗(yàn)點(diǎn)的單樁復(fù)合地基承載力特征值≥130 kPa，8根水泥土攪拌樁單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果：豎向抗壓承載力特征值≥78 kN，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 復(fù)合地基加固方案剖面圖Fig. 3 Section drawing of the reinforcement scheme of the composite foundation

復(fù)合地基的總沉降量S由復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮變形S1和地基壓縮層厚度內(nèi)加固區(qū)下臥層的變形S2組成[9]。

復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮變形S1按下式計(jì)算：

式中：P0為樁群體頂面的附加應(yīng)力，kPa；Pa0為樁群體底面實(shí)體基礎(chǔ)附加應(yīng)力，kPa；h為復(fù)合土層的厚度，m；Eh為加固區(qū)土體的復(fù)合壓縮模量，MPa。

加固區(qū)下臥層的變形S2采用分層總和法，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）[10]中有關(guān)規(guī)定計(jì)算。

主樓沉降取C軸或F軸條形基礎(chǔ)中心點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果S1=22.9 mm，S2=97.04 mm，S=S1+S2=119.94 mm。附房沉降取 H軸條形基礎(chǔ)中心點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果S1=14.29 mm，S2=26.11 mm，S=S1+S2=40.40 mm。主樓與附房的計(jì)算沉降差達(dá)79.54 mm，這表明S1相差不大，主要相差在加固區(qū)下臥層的變形S2上。

由于主樓柱網(wǎng)中間基礎(chǔ)空隙約為主樓基礎(chǔ)面積的17.5%，主樓條形基礎(chǔ)的沉降還受到相鄰荷載的影響，因此主樓沉降比計(jì)算值還要大，主樓附房的沉降差更大。

主樓與附房上部結(jié)構(gòu)荷載懸殊，地基處理方案設(shè)計(jì)參數(shù)相同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未設(shè)沉降縫，基礎(chǔ)梁斷面均為600 mm（寬）×1 200 mm（高），剛度較大，主樓、附房基礎(chǔ)通過基礎(chǔ)梁連結(jié)在一起，致使建筑物向荷載大的主樓一側(cè)整體傾斜。

3 糾偏方案及效果

鑒于建筑物的整體傾斜率已達(dá)3.26‰，沉降速率0.4 mm/d，仍未穩(wěn)定，建筑物未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，室外散水、道路、場(chǎng)地尚未施工，原定室內(nèi)外高差90 cm，為防止建筑物整體傾斜超過設(shè)計(jì)規(guī)范4‰的規(guī)定，決定先通過管井降水對(duì)該建筑物的沉降差進(jìn)行調(diào)整，再根據(jù)觀測(cè)結(jié)果決定是否壓樁加固。

管井降水糾偏是在建筑物原沉降較小一側(cè)打井抽水，降低后的地下水位是以管井為中心的一個(gè)漏斗形曲面，隨著降水的持續(xù)，曲面半徑向外延伸，直至原有地下水位，降水半徑也在增加[11]。根據(jù)降水時(shí)間的長(zhǎng)短，降水坡度大約在 1∶10～1∶4。降水后漏斗形曲面以上的土體自重應(yīng)力增大，產(chǎn)生沉降，降水深度越大，沉降就越大，這就使建筑物離降水井近的一側(cè)產(chǎn)生較大的沉降，離降水井遠(yuǎn)的一側(cè)產(chǎn)生較小的沉降，從而使建筑物回傾。

3.1 糾偏方案

該工程不均勻沉降表現(xiàn)為主樓（南側(cè)）多，附房（北側(cè)）少，附房的北側(cè)距通海大道32 m，此范圍內(nèi)沒有既有建筑，因此在附房的北側(cè)，即原來沉降較小的一側(cè)附近布置管井降水糾偏，不受周邊環(huán)境的制約。

第②層、第③層土主要是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，滲透性較差，并已通過處理形成復(fù)合地基，而第④、第⑤層土主要是粉土，滲透性較好，具備降水糾偏的水文地質(zhì)條件。

（1）管井設(shè)置

沿附房北側(cè)外圍設(shè)置 9口降水管井（GJ1～GJ9），布井平面位置如圖4所示，井深18 m。

圖4 管井和沉降觀測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig. 4 Layout plan of pipe well and settlement observation points

（2）管井施工

采用反循環(huán)鉆機(jī)，泥漿護(hù)壁成孔，成孔直徑800 mm，中間吊放內(nèi)徑360 mm的無(wú)砂混凝土濾管，濾管外包二層80目濾網(wǎng)，沿井孔四周均勻、連續(xù)填入濾料，將泥漿擠出井孔。填濾料時(shí)，應(yīng)用鐵鍬人工下料，不得沖擊井壁。濾料為級(jí)配和磨圓度較好的中粗砂。成井后，用污水泵反復(fù)進(jìn)行恢復(fù)性抽洗，洗至水清砂凈為止。

（3）降水糾偏

每口井內(nèi)采用尼龍繩放置1臺(tái)50 m3/h的深水潛水泵，配備控制井內(nèi)水位的自動(dòng)開關(guān)，在井口安裝閥門以便調(diào)節(jié)流量大小。

降水糾偏時(shí)，為確保建筑安全，降水深度由淺入深至地面以下 10～15 m，及時(shí)觀測(cè)沉降，根據(jù)沉降量的大小，調(diào)整降水水位高低，若最大沉降大于5 mm/d，則提升管井水位，反之，降低管井水位。每口管井的降水水位也根據(jù)附近沉降點(diǎn)的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。管井 GJ5糾偏期間（2020年7月23日至8月27日）降水時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 管井GJ5降水時(shí)程曲線圖Fig. 5 Time schedule of GJ5 pipe well

為保證糾偏過程中建筑物的安全，糾偏建筑最大沉降速率控制3 mm/d以內(nèi)。

（4）沉降觀測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)沿建筑物周邊原已布置沉降觀測(cè)點(diǎn)14個(gè)，見圖4，并在建筑物東北、西北方向設(shè)置了2個(gè)沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。糾偏期間加強(qiáng)觀測(cè)，每天不少于 1次，并用經(jīng)緯儀觀測(cè)建筑物的傾斜量，每2～3 d觀測(cè)1次。每天觀測(cè)水位、水量的動(dòng)態(tài)變化，觀察掌握周邊建筑物的安全狀況，所測(cè)及所了解的情況及時(shí)匯總研究，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整解決。

（5）注漿封井

建筑物通過糾偏，最大傾斜率控制到2‰以內(nèi)，即停止糾偏降水，穩(wěn)定一段時(shí)間后，觀察沉降情況，確認(rèn)達(dá)到要求后，采用壓力灌漿法將糾偏管井用水泥漿灌實(shí)，水泥漿水灰比 0.6左右，注漿壓力 1～l.2 MPa。

3.2 糾偏效果

2020年7月23日至8月27日實(shí)施糾偏降水，通過跟蹤觀測(cè)，共得到 35組沉降數(shù)據(jù)，建筑物中部4號(hào)軸線，H軸、G軸、A軸3個(gè)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)F4、F14、F11沉降隨降水時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6 沉降隨降水時(shí)間變化曲線Fig. 6 Change curve of settlement with precipitation time

糾偏前后的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)匯集于表2。

表2 沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表Table 2 Settlement observation data table mm

由圖6和表2可以看出，管井降水后各觀測(cè)點(diǎn)的沉降出現(xiàn)如下特點(diǎn)：

（1）北側(cè)H軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F1、F4、F8）沉降最大，南側(cè)A軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F12、F11、F10）沉降最小，這是因?yàn)楸眰?cè)H軸距降水井最近，南側(cè)A軸距降水井最遠(yuǎn)，降水深度不同所致。

（2）北側(cè)H軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F1、F4、F8）平均沉降81.53 mm，G軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F13、F14、F9）平均沉降73.67 mm，南側(cè)A軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F12、F11、F10）平均沉降41.93 mm，H軸、G軸、A軸3條軸線東西方向的沉降線基本平行。

（3）降水剛開始幾天的糾偏效果明顯好于后期，這是因?yàn)榻邓┒返陌霃诫S著降水時(shí)間的增加而增大，建筑物南北兩側(cè)的水位差逐漸減小，后期調(diào)節(jié)沉降的作用不太明顯。

（4）自7月23日開始降水至8月27日停止降水，北側(cè)H軸比南側(cè)A軸平均多沉降了39.6 mm，消除沉降差近40 mm，A軸與H軸的平均沉降差縮小至41.6 mm，建筑物的整體傾斜調(diào)整至1.67‰，傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)與沉降觀測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致。

（5）自8月27日至9月24日，降水停止近一個(gè)月，北側(cè)H軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F1、F4、F8）平均沉降6.1 mm，G軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F13、F14、F9）平均沉降6.5 mm，南側(cè)A軸3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（F12、F11、F10）平均沉降7.2 mm。沉降速率降至0.24 mm/d，沉降差平均增加1.1 mm，基本趨于穩(wěn)定。建筑物中部4號(hào)軸線，F(xiàn)4、F14、F11降水停止后的沉降曲線如圖7所示。

圖7 降水停止后的沉降曲線圖Fig. 7 Settlement plot after the precipitation stop

根據(jù)觀測(cè)資料，經(jīng)綜合分析認(rèn)為：降水糾偏已達(dá)到預(yù)期效果，減小沉降差近40 mm，后期建筑物的整體傾斜應(yīng)不會(huì)超過 4‰，因此，原擬定在南側(cè)A軸附件增加錨桿靜壓樁的加固方案未予實(shí)施。

2020年9月25日開始對(duì)建筑物北側(cè)糾偏管井進(jìn)行注漿回填，并于2020年9月30日結(jié)束，2020年12月該工程通過竣工驗(yàn)收。

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)施工，歷時(shí)一個(gè)多月的降水糾偏成效顯著，建筑物的整體傾斜調(diào)整至2‰之內(nèi)。實(shí)踐證明，管井降水糾偏，施工方便、工期短、費(fèi)用低。

（2）糾偏設(shè)計(jì)要在分析造成建筑物傾斜原因的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)條件、周圍環(huán)境，因地制宜制定糾偏方案，這是管井降水糾偏成功的關(guān)鍵。

（3）糾偏施工要及時(shí)對(duì)糾偏效果進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)調(diào)整，實(shí)行信息化施工，以確保糾偏效果及建筑物安全。

（4）地基處理設(shè)計(jì)要重視對(duì)沉降差的復(fù)核驗(yàn)算，若沉降差較大，可通過長(zhǎng)短樁來調(diào)節(jié)，復(fù)合地基設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，不能忽視變形控制。